CN110247137A - 一种核磁共振原位铝空气电池及其放电测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种核磁共振原位铝空气电池及其放电测试方法，所述电池包括电池外壳、正极极片、电解质、负极极片和加压螺帽，其中：电池外壳为中空的圆柱体，由圆柱体上下底面开口；加压螺帽含有连通电池外壳上下底面的中央通孔；电解质的上表面紧贴正极极片的下表面，电解质的下表面紧贴负极极片的上表面；正极电极导线的一端与正极极片的上表面相连，另一端经电池外壳底面开口伸出；负极电极导线的一端与负极极片的下表面相连，另一端经中央通孔伸出；电池外壳内壁设置有与加压螺帽相吻合的螺纹接口，通过螺纹咬合对正极极片、电解质和负极极片加压。本发明结构简单、装配方便、成本低廉、电池所用装配元件少，所用材料成本较低且容易加工。

Description

一种核磁共振原位铝空气电池及其放电测试方法
技术领域
本发明涉及一种铝空气电池，特别涉及一种核磁共振原位检测用铝空气电池及实现对其强制放电反应进行原位在线检测的方法。
背景技术
随着电动车、智能电网等大型储能系统的发展，锂资源储量有限使其成本越来越高。而铝是地壳中含量最丰富的金属，理论比容量高达2.98 Ah/g，仅次于锂（3.86 Ah/g），铝还具有8.10 Wh/g的高能量密度。此外，由于其丰富、低廉的价格、无毒性和环境友好性的特点，将成为锂离子电池的理想替代者。
核磁共振是一种短程技术，通过确定NMR参数，如化学位移、标量或偶极耦合常数、四极参数和弛豫行为，可以提供有关核局部环境的有价值信息。因此，在正极材料、负极材料和电解质上运用核磁共振的方式来表征其结构特点已经变得流行，但这些研究都是在非原位情况下进行的，不能真实反映电池中充放电过程中的结构变化。由于核磁共振谱仪本身的复杂化、微缩化，无法将大面积的铝空气电池放置其中进行原位测试，且目前已有的一些原位电池装置大多是用在X射线衍射、光谱分析等领域，而这些原位电池大多构造复杂、电池装置太大、电池内部为密封环境，无法直接应用于铝空气电池的原位测试中。因此，发明一种结构简单、易于操作、成本低廉且非密闭环境的核磁共振原位电池装置具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在提供一种结构简单、方便操作的核磁共振原位铝空气电池，并将该电池应用至核磁共振原位检测中，意旨检测放电过程中的动态变化。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种核磁共振原位铝空气电池，包括电池外壳、正极极片、电解质、负极极片和加压螺帽，其中：
所述电池外壳为中空的圆柱体，由圆柱体上下底面开口，内径不小于加压螺帽螺纹部分外径；
所述电池外壳的内部设置有正极极片、电解质、负极极片和加压螺帽；
所述加压螺帽含有连通电池外壳上下底面的中央通孔；
所述电解质的上表面紧贴正极极片的下表面，电解质的下表面紧贴负极极片的上表面；
所述正极极片的上表面与正极电极导线的一端相连，正极极片导线的另一端经电池外壳底面开口伸出壳体外面；
所述负极极片的下表面与负极电极导线的一端相连，负极极片导线的另一端经加压螺帽的中央通孔伸出壳体外面；
所述电池外壳内壁设置有与加压螺帽相吻合的螺纹接口，通过螺纹咬合对正极极片、电解质和负极极片加压。
一种利用上述核磁共振原位铝空气电池进行核磁共振原位测试铝空气电池放电的方法，包括以下步骤：
（1）将上述核磁共振原位铝空气电池所有电池组装附件经有机溶剂洗涤干净，在烘箱中烘干后准备组装；
（2）将正极极片与正极导线接触并固定，然后将正极导线从电池外壳的底面穿出；
（3）将电解质放置于电池外壳中，紧贴正极极片；
（4）将负极极片与负极导线接触并固定，然后将未接触负极导线的一面置于电解质的另一边上，并将负极导线从加压螺帽的中央通孔中穿出；
（5）将加压螺帽旋入电池外壳，进行加压以保证正极极片、电解质和负极极片之间充分接触，减小电池中的接触电阻；
（6）将组装完成的电池置于NMR谱仪原位探头中，并通过正极导线、负极导线与电池强制放电装置连接，同时开始电池放电检测和NMR谱图的在线检测。
本发明中，所述电池外壳使用的材料为聚甲基丙烯酸甲酯。
本发明中，所述正极极片为碳载空气电极，正极极片的厚度为0.35~0.4mm。
本发明中，所述负极极片为铝箔、泡沫铝、多孔铝、含铝合金、含铝复合材料中的至少一种，负极极片的厚度为0.01~2mm。
本发明中，所述有机溶剂为乙醇、四氯化碳、苯和石油醚中的一种或两种以上。
本发明中，所述电解质由铝空气电池的常用电解液固定在凝胶体系中制备而成，其凝胶体系可用PAA、PEO和PVA的一种或两种以上混合配制。
本发明中，电解质的装填厚度控制在3~10mm之间。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、结构简单、装配方便、成本低廉、电池所用装配元件少，所用材料成本较低且容易加工。
2、电池附件普适性好，可以实现铝空气电池在不同温度、不同电解质浓度、不同电解质装填量的原位测试，对改进电池电化学性能有指导意义。
3、非密闭装置，可实现正极极片与空气相接触，并将电池放电阶段产生的副产物氢气排出。
附图说明
图1为核磁共振原位电池的结构示意图；
图2为原位核磁共振连接示意图；
图3为原位电池的强制放电过程的原位NMR谱图；
图4为原位电池的自放电过程的原位NMR谱图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供的核磁共振原位铝空气电池包括电池外壳1、正极极片2、电解质3、负极极片4和加压螺帽5，其中：
所述电池外壳1为中空的圆柱体，由圆柱体上下底面开口，内径不小于加压螺帽5螺纹部分外径；
所述电池外壳1的内部设置有正极极片2、电解质3、负极极片4和加压螺帽5；
所述加压螺帽5含有连通电池外壳1上下底面的中央通孔；
所述电解质3的上表面紧贴正极极片2的下表面，电解质3的下表面紧贴负极极片4的上表面；
所述正极极片2的上表面与正极电极导线的一端相连，正极极片导线的另一端经电池外壳1底面开口伸出壳体外面；
所述负极极片4的下表面与负极电极导线的一端相连，负极极片导线的另一端经加压螺帽5的中央通孔伸出壳体外面；
所述电池外壳1内壁设置有与加压螺帽5相吻合的螺纹接口，通过螺纹咬合对正极极片2、电解质3和负极极片4加压。
利用上述原位电池观察铝空气电池在强制放电过程中的原位动态变化，具体包括以下内容：
一、原位铝空气电池组装：
S1：选用碳载空气电极作为正极极片2，其厚度为0.42mm，选用含铝合金作为负极极片4，其厚度为0.5mm。
S2：使用的电池外壳1高约9mm，外径9mm，内径6mm，使用的加压螺帽2高约6mm，内孔径1.5mm。
S3：将正极极片2与正极导线接触并固定，然后将正极导线从电池外壳1的非螺纹的底面穿出，正极导线选用铜导线，正极导线直径为1mm，所有含通孔的元件其通孔的直径略大于正极导线直径，为1.5mm。
S4：将电解质3放置于电池外壳1中，紧贴正极极片2，电解质3选用PVA/PEO与纯度为分析纯的4M NaOH溶液，以体积比为2:1的方式进行搅拌混合得到，电解质3的装填厚度为5mm。
S5：将负极极片4与负极导线接触并固定，然后将未接触导线的一面置于电解质3的另一边上，并将负极导线从加压螺帽2的中央通孔中穿出。
S6：旋入加压螺帽2保证电极材料之间充分接触，减小电池中的接触电阻。
二、原位电池的核磁共振(NMR)测试：
S1：将组装好的原位铝空气电池放入核磁共振原位探头的线圈中并固定好，将探头放入核磁共振谱仪中并准备开始NMR测试。
S2：从探头中的原位电池的两级分别接出两根导线与电池强制放电测试仪器连接，准备开始电池强制放电测试。连接好的状态如图2示意图所示。
S3：在上述步骤完成后，同时开始电池的放电测试和NMR测试，使用恒流强制放电，电压区间选用1~10V，恒流电流为20mA。得到铝空气电池强制放电曲线和电池放电过程的原位NMR谱图。原位电池的原位NMR谱图如图3所示，可见电池在强制放电过程中电解质中铝元素周围的环境是不断变化的。
实施例2
本实施例与实施例1不同的是：导线与电化学工作站CHI连接，测试其工作电压，主要观测铝空气电池在自放电过程中的原位动态变化。
电池组装大致过程同实施例1。将电池组装并连接完毕后立即放入探头中，进行NMR测试。得到铝空气电池自放电电压曲线和电池自放电过程的原位NMR谱图。原位电池的原位NMR谱图如图4所示。

Claims (9)

1.一种核磁共振原位铝空气电池，其特征在于所述电池包括电池外壳、正极极片、电解质、负极极片和加压螺帽，其中：
所述电池外壳为中空的圆柱体，由圆柱体上下底面开口；
所述电池外壳的内部设置有正极极片、电解质、负极极片和加压螺帽；
所述加压螺帽含有连通电池外壳上下底面的中央通孔；
所述电解质的上表面紧贴正极极片的下表面，电解质的下表面紧贴负极极片的上表面；
所述正极极片的上表面与正极电极导线的一端相连，正极极片导线的另一端经电池外壳底面开口伸出壳体外面；
所述负极极片的下表面与负极电极导线的一端相连，负极极片导线的另一端经加压螺帽的中央通孔伸出壳体外面；
所述电池外壳内壁设置有与加压螺帽相吻合的螺纹接口，通过螺纹咬合对正极极片、电解质和负极极片加压。
2.根据权利要求1所述的核磁共振原位铝空气电池，其特征在于所述电池外壳的内径不小于加压螺帽螺纹部分外径。
3.根据权利要求1所述的核磁共振原位铝空气电池，其特征在于所述电池外壳使用的材料为聚甲基丙烯酸甲酯。
4.根据权利要求1所述的核磁共振原位铝空气电池，其特征在于所述正极极片为碳载空气电极，正极极片的厚度为0.35~0.4mm。
5.根据权利要求1所述的核磁共振原位铝空气电池，其特征在于所述负极极片为铝箔、泡沫铝、多孔铝、含铝合金、含铝复合材料中的至少一种，负极极片的厚度为0.01~2mm。
6.根据权利要求1所述的核磁共振原位铝空气电池，其特征在于所述电解质由电解液固定在凝胶体系中制备而成，其凝胶体系由PAA、PEO和PVA的一种或两种以上混合配制而成。
7.根据权利要求1所述的核磁共振原位铝空气电池，其特征在于电解质的装填厚度控制在3~10mm之间。
8.一种利用权利要求1-7任一权利要求所述核磁共振原位铝空气电池进行核磁共振原位测试铝空气电池放电的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
（1）将上述核磁共振原位铝空气电池所有电池组装附件经有机溶剂洗涤干净，在烘箱中烘干后准备组装；
（2）将正极极片与正极导线接触并固定，然后将正极导线从电池外壳的底面穿出；
（3）将电解质放置于电池外壳中，紧贴正极极片；
（4）将负极极片与负极导线接触并固定，然后将未接触负极导线的一面置于电解质的另一边上，并将负极导线从加压螺帽的中央通孔中穿出；
（5）将加压螺帽旋入电池外壳，进行加压以保证正极极片、电解质和负极极片之间充分接触，减小电池中的接触电阻；
（6）将组装完成的电池置于NMR谱仪原位探头中，并通过正极导线、负极导线与电池强制放电装置连接，同时开始电池放电检测和NMR谱图的在线检测。
9.根据权利要求8所述的核磁共振原位测试铝空气电池放电的方法，其特征在于所述有机溶剂为乙醇、四氯化碳、苯和石油醚中的一种或两种以上。
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